一种基于ATS调整功能的列车时刻表优化方法

摘要

本发明涉及一种基于ATS调整功能的列车时刻表优化方法，包括：步骤S1：获取列车运行的影响因数，包括基础设施数据和运输组织模式；步骤S2：基于步骤S1列车运行的影响因数对列车计划时刻表进行优化，得到列车优化时刻表；步骤S3：将步骤S2的列车优化时刻表输入仿真平台得到列车优化运行图；步骤S4：模拟器模拟验证步骤S3的列车优化运行图。与现有技术相比，本发明不仅可以针对示范线路进行优化，而且易于推广实施，实现综合节能降耗，最终实现运营智能优化管理目标。

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市轨道交通列车控制，尤其是涉及一种基于ATS调整功能的列车时刻表优化方法。

背景技术

地铁列车牵引时能源消耗绝对量巨大，是地铁节能降耗的主要对象，本方法在确保运营安全的同时，深挖节能潜力，提出节能方案，努力实现“节能减排”的环保目标。研究ATS(Automatic Train Supervision，列车自动监控)调整功能，科学调节节能操作，降低轨道交通运输总成本。轨道交通运输组织过程中，体现最直接的即是列车的操纵控制模式。此外，信号ATC控制系统设定的技术速度、列车在线路中的停站方案、满载率以及列车在运营中设定的ATS等级方案等均会直接影响到列车运行的能耗。基于路网优化，合理运营ATS调整功能，为轨道交通管理者提供决策支持著名的Braess诡异表明:并不是新建或改建的线路越多，网络上的拥挤程度就越低，有可能会出现整个系统的交通状况更加恶化的状况，因此深度分析信号ATC控制、客流量信息、大客流诱导等系统，以便更合理地引导及控制乘客出行，有效地缓解早晚高峰时段客流拥挤程度，帮助轨道交通管理者确定敏感车站和换乘节点、优化运行图及设施配置，以增强地铁抵抗各种风险的能力，增加乘客出行的公共安全。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于ATS调整功能的列车时刻表优化方法，不仅可以针对示范线路进行优化，而且易于推广实施，实现综合节能降耗，最终实现运营智能优化管理目标。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于ATS调整功能的列车时刻表优化方法包括：

步骤S1：获取列车运行的影响因数，包括基础设施数据和运输组织模式；

步骤S2：基于步骤S1列车运行的影响因数对列车计划时刻表进行优化，得到列车优化时刻表；

步骤S3：将步骤S2的列车优化时刻表输入仿真平台得到列车优化运行图；

步骤S4：模拟器模拟验证步骤S3的列车优化运行图。

所述基础设施数据包括列车数据和轨道数据，所述运输组织模式包括技术速度、停站方案、满载率和ATS等级编组方案。

所述步骤S2具体为：

201：根据基础设施数据获得运行区间长度S₁、车站长度S₂、列车启动距离S₃、列车制动距离S₄、列车启动时间t₁和列车制动时间t₂；

202：根据运输组织模式获得列车在区间上的平均限速V₁和列车运行等级系数a；

203：由步骤201和202获取列车在与列车运行等级系数a对应的运行等级二和运行等级三下的区间运行时间，满足以下公式：

$>T=\frac{(S_1+S_2)-(S_3+S_4)}{((V_1*a)/3.6)}+t_1+t_2$>

其中，T代表列车区间运行时间；

204：通过列车在运行等级二和运行等级三下的运行时间求得列车区间运行时间差；

205：通过运行时间差对列车计划时刻表中的列车到站时间进行优化，而列车出站时间保持不变，最后得到列车优化时刻表。

所述步骤202中根据列车运行等级系数a得到区段最高限速后获取整个区间的平均限速V₁。

所述步骤S3具体为：

301：将基础设施数据输入仿真平台，得到列车仿真的速度与距离图以及列车能耗图，将所得图与实际列车运行图进行对比，验证仿真平台所得结果的合理性；

302：若步骤301中仿真平台所得结果为合理，将基础设施数据、列车优化时刻表、运输组织模式输入仿真平台，得到列车运行时间偏差图，通过偏差图验证优化时刻表的合理性，得到列车优化运行图。

所述步骤S4具体为：

401：列车优化运行图在模拟器上模拟运行，验证合理性并计算列车总能耗，将能耗值与列车计划时刻表下列车运行能耗值对比，获得列车优化时刻表模拟验证结果，并保存；

402：通过实车测试记录列车能耗，获得列车优化时刻表的实测验证结果，并保存。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)基于列车不同运行等级下的运行时间对列车计划时刻表进行优化调整，在满足乘客需求的情况下起到列车运行节能的目的。

2)同时该方法合理地引导及控制乘客出行，帮助轨道交通管理者确定敏感车站和换乘节点、优化运行图及设施配置，以增强地铁抵抗各种风险的能力。

3)通过研究ATS调整功能，科学调节节能操作，降低轨道交通运输总成本。

附图说明

图1为本发明方法中列车时刻表优化策略示意图；

图2为本发明方法中步骤S3的流程示意图；

图3为根据不同时段的客流情况在仿真平台上设定不同的列车牵引力与速度图；

其中，(3a)为AW0空载牵引力与速度图，(3b)为AW2定员荷载牵引力与速度图，(3c)为AW3超员荷载牵引力与速度图；

图4为列车运行的速度与距离图；

图5为列车优化运行图；

图6为列车运行能耗图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以上海地铁2号线为例，利用2号线ATS系统的运行等级调整功能的列车时刻表优化方法包括：

步骤S1：获取列车运行的影响因数，包括基础设施数据和运输组织模式。基础设施数据由地铁公司提供，包括列车数据和轨道数据，运输组织模式包括技术速度、停站方案、满载率和ATS等级编组方案，其中技术速度和停站方案、ATS等级编组方案由地铁公司提供，满载率通过研究地铁公司所给数据以及调研分析得到。

例如：调研上海地铁2号线客流空间时间分布特点确定运营优化数学模型，将列车运行时间分为高峰时段和非高峰时段进行研究。同时，本发明方法建立轨道交通列车运行能耗影响的分析与评估框架，针对轨道交通能耗产生的各影响因素，引入灰色系统相关理论，建立灰色关联层次分析模型，进行计算分析，得到各影响因素的关联度，为城市轨道交通运营生产提供节能操作的理论支持。

ATS等级编组方案划分列车运行等级，包括：

1)运行等级一

ATS限速等于列车最大限制速度，列车加速时命令为1(m/s²)。

2)运行等级二

ATS限速等于列车最大限制速度的90％(ATO速度曲线)，列车加速时命令为1(m/s²)。

3)运行等级三

ATP限速等于列车最大限制速度的80％(ATO速度曲线)，列车加速时命令为1(m/s²)。

4)运行等级四

ATP限速等于列车最大限制速度的70％(ATO速度曲线)，列车加速时命令为0.75(m/s²)。

步骤S2：以最优化理论与方法为指导，分析基础设施(列车属性和线路条件)以及运输组织模式(技术速度、停站方案、满载率、ATS方案)中部分要素对轨道交通列车运行能耗的影响。针对每一个单一因素进行理论分析和条件对比测算，分析结果从而得出各因素在列车运行过程中影响效果，进行合理的假设与简化，确定列车时刻表的优化目标和约束条件，建立数学规划模型并提出优化列车停站时间的算法。即基于步骤S1列车运行的影响因数对列车计划时刻表进行优化，得到列车优化时刻表。如图1所示，具体为：

201：根据基础设施数据获得运行区间长度S₁、车站长度S₂、列车启动距离S₃、列车制动距离S₄、列车启动时间t₁和列车制动时间t₂；

202：根据运输组织模式获得列车在区间上的平均限速V₁和列车运行等级系数a，其中，运用遗传算法根据列车运行等级系数a得到区段最高限速后获取整个区间的平均限速V₁；

203：由步骤201和202获取列车在与列车运行等级系数a对应的运行等级二和运行等级三下的区间运行时间，满足以下公式：

$>T=\frac{(S_1+S_2)-(S_3+S_4)}{((V_1*a)/3.6)}+t_1+t_2$>

其中，T代表列车区间运行时间；

204：通过列车在运行等级二和运行等级三下的运行时间求得两者之间的时间差，即列车区间运行时间差；

205：通过运行时间差对列车计划时刻表中的列车到站时间进行优化，而列车出站时间保持不变，最后得到列车优化时刻表，对应ATS优化调整模式。将列车优化时刻表与计划时刻表和实际时刻表进行对比，减小误差，确定列车参数(空走时间、上坡时延迟修正、最小减速度、最大减速度、阻力因数、旋转质量系数)。

步骤S3：将步骤S2的列车优化时刻表输入仿真平台得到列车优化运行图。如图2所示，具体为：

301：将基础设施数据输入仿真平台，得到列车仿真的速度与距离图以及列车能耗图，将所得图与上海地铁2号线实际列车运行图进行对比，通过对比验证列车在节能时刻表下是否可以正常运行，同时验证列车优化时刻表是否起到节能效果，图4为仿真平台输出的列车运行的速度与距离图；

302：若步骤301中仿真平台所得结果为合理，将基础设施数据、列车优化时刻表、运输组织模式输入仿真平台，得到列车运行时间偏差图，通过偏差图验证优化时刻表的合理性，得到列车优化运行图，图5为仿真平台输出的列车优化运行图。

步骤S4：模拟器模拟验证步骤S3的列车优化运行图。具体为：

401：列车优化运行图在模拟器上模拟运行，验证合理性并计算列车总能耗，将能耗值与列车计划时刻表下列车运行能耗值对比，获得列车优化时刻表模拟验证结果，并保存，图6为输出的列车运行能耗图；

402：通过实车测试记录列车能耗，获得列车优化时刻表的实测验证结果，并保存。

本发明方法中列车运行能耗计算可以分别基于能耗曲线和牵引做功过程，基于能耗曲线得出轨道交通单耗模型，基于动力学方程得出列车的功能转换方程，从而得出牵引能耗。

仿真平台采用OpenTrack软件实现以下功能：

1)仿真列车的运行情况，基于已定义的列车基础设施、列车时刻表，实现定义列车在基础设施上与实际运行相吻合的模拟场景。

2)通过不同运动方式连续模拟列车运行，离散模拟信号设备信息显示状态。列车运动方式基于模拟步长的最大加速度来仿真列车的运行，而最大加速度又决定于列车运营方式、轨道参数，如最大牵引力、最大阻力、轨道坡度、轨道曲线半径和轨道允许列车最高运行速度。列车运行速度通过积分方程和制动距离内的再积分算出。图3为根据不同时段的客流情况在仿真平台上设定不同的列车牵引力与速度图。

3)列车运行受线路沿线布置的信号设备控制。如：被占用的轨道区段数量、信号显示转换时间、列车运行过程信号设备状态开放或闭塞时间长短等。

4)在仿真过程中，每一列车均输出多种图表数据和文本数据至数据库，数据库中存储如加速度～距离、速度～距离等图表和其他文本数据。通过此方式，不同的输出结果在仿真完成后均被保存。

5)仿真过程以后台方式实现或以动画方式在前台显示。在动画显示方式中，用户可看到列车运行过程、轨道占用情况、进路排列情况，也包括线路沿线信号设备显示状态。

在列车高效时刻表优化的同时设计列车运行自动防护方法，包括：

1)每区段内最多只能有一列车在运行；

2)列车不被允许进入下一区段时，且列车制动停车后不能超出其所在区段的区域范围；

3)列车运行防护系统是用来控制列车运行前方、后方为保证安全而必须保证的有效距离；

4)区段间通过信号机分割，该信号机可阻止列车运行，当其显示为红灯时，列车必须无条件在本区段范围内停车。

本发明方法的应用包括：

1)过调研在仿真平台上搭建上海地铁2号线全线列车运行环境(线路、列车、电力、信号控制)，同时仿真列车车辆性能。

2)通过仿真软件读取计划时刻表、绘制计划运行图。

3)通过仿真列车运行情况得出列车的速度曲线。

4)通过仿真求算列车的运行能耗，并得出车辆的运行能耗曲线。

5)通过对列车运行等级数据的分析建立ATS调整模型并优化列车时刻表。

6)通过降低运行等级、缩短停站时间，优化非高峰时期列车运行能耗。

7)在特定客流情况下智能平衡列车能耗。

综上，本发明方法通过软件仿真、维护时段试运行以及运行优化相结合的方式，为线路整体层面节能优化探索一条新路，在实现节能降耗的基础上，进一步实现智能化运营管理的目标。不仅可以针对示范线路进行优化，而且可以逐步推广实施至上海地铁以及全国地铁，实现综合节能降耗，最终实现运营智能优化管理目标。